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PLC在準(zhǔn)確定位系統(tǒng)中的應(yīng)用
PLC在準(zhǔn)確定位系統(tǒng)中的應(yīng)用
在絲網(wǎng)印刷過(guò)程中，由于紙張和油墨質(zhì)量等因素的影響，需要臨時(shí)調(diào)整印刷速度以保證印刷質(zhì)量。同時(shí)，印刷機(jī)在制動(dòng)時(shí)有一個(gè)特殊要求：即自停機(jī)指令發(fā)出且印完前張紙后，不能再有叼紙和印刷的動(dòng)作，否則油墨就會(huì)印到滾筒上，導(dǎo)致不能繼續(xù)印刷。這就是說(shuō)不論滾筒轉(zhuǎn)速快慢，其停止過(guò)程所經(jīng)過(guò)的角位移應(yīng)是相等的。而普通機(jī)械高速運(yùn)動(dòng)時(shí)制動(dòng)所需的時(shí)間較長(zhǎng)，所需制動(dòng)路程也較長(zhǎng)。針對(duì)印刷機(jī)這種特殊制動(dòng)要求，我們研究了一種用PLC和變頻調(diào)速器控制印刷機(jī)制動(dòng)的方法，該控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。
圖1 控制系統(tǒng)框圖
二、通過(guò)控制開(kāi)始制動(dòng)的時(shí)刻，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的
如果要使印刷機(jī)在制動(dòng)時(shí)，不論印刷機(jī)的轉(zhuǎn)速高低，都能停在同一位置，則首先需要知道印刷當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速的高低去控制制動(dòng)過(guò)程。制動(dòng)過(guò)程的原理是：在滾筒的某一位置上安裝一個(gè)位置上安裝一個(gè)位置傳感器SQ1。當(dāng)停止按鈕按下或緊急事故停機(jī)信號(hào)發(fā)出后且滾筒在SB1位置，才使機(jī)器進(jìn)入制動(dòng)程序。制動(dòng)程序的工作原理是，制動(dòng)動(dòng)作應(yīng)在經(jīng)過(guò)SQ1位置后的某個(gè)時(shí)刻開(kāi)始，我們把從SQ1到制動(dòng)動(dòng)作開(kāi)始的這段時(shí)間稱作制動(dòng)參數(shù)Tzd。印刷機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)使Tzd置小些，盡量早地執(zhí)行制動(dòng)的動(dòng)作。在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)使Tzd置大些，適當(dāng)晚地執(zhí)行制動(dòng)的動(dòng)作。用這種方法就可以使印刷機(jī)在不同轉(zhuǎn)速情況下準(zhǔn)確地停在同一位置。
三、制動(dòng)程序
綜上所述，制動(dòng)程序應(yīng)包括測(cè)速，計(jì)算制動(dòng)參數(shù)Tzd和執(zhí)行制動(dòng)，下面分別介紹。
1、測(cè)速
在印刷機(jī)動(dòng)力輸入軸端部安裝一個(gè)角位移傳感器SQ2，使該軸每轉(zhuǎn)一周可以向可編程序控制器的高速計(jì)數(shù)端子發(fā)出12個(gè)脈沖，并在高速計(jì)數(shù)器上獲得該脈沖的計(jì)數(shù)值。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就會(huì)不斷累加。通過(guò)編程，可以在規(guī)定的時(shí)刻將該計(jì)數(shù)值取出并放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器N1中，然后經(jīng)過(guò)0.05 s再將該計(jì)數(shù)值取出并放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器N2中，那么N=N2-N1的值就表示在T=T2-T1=0.05 s時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速值。當(dāng)T保持不變時(shí)，N值越大表明轉(zhuǎn)速越高。這樣就可以把轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)換成速度信號(hào)，如圖2所示。
圖2 測(cè)速脈沖波形示意圖
圖2a中計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自主傳動(dòng)軸的信號(hào)，該信號(hào)頻率與SQ2檢測(cè)的主機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。圖2b中的時(shí)鐘脈沖是PLC控制器中提供的，它有3種周期即0.1 s，0.2 s和1 s；可根據(jù)轉(zhuǎn)速的高低選用適當(dāng)周期。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，時(shí)鐘周期選得大，則測(cè)速時(shí)間長(zhǎng)，該轉(zhuǎn)速的脈沖數(shù)值也就大，建立數(shù)學(xué)模型時(shí)就可以細(xì)分，產(chǎn)生更精確的制動(dòng)效果。反之，如果時(shí)鐘周期選得小，則制動(dòng)效果就粗糙些。用戶可根據(jù)機(jī)械設(shè)備的情況自行選定。圖2c中的脈沖是對(duì)圖2b的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行前沿和后沿微分，以便取出間隔為0.05 s、0.1 s和0.5 s的信號(hào)，該信號(hào)的寬度是應(yīng)用程序的循環(huán)周期的一半。用該信號(hào)從計(jì)數(shù)器中取出當(dāng)前計(jì)數(shù)值N1和N2，由程序計(jì)算出其差值N。
2、計(jì)算制動(dòng)參數(shù)Tzd
數(shù)值N還必須用數(shù)學(xué)模型Tzd=f(N)轉(zhuǎn)為Tzd值才能作為PLC的制動(dòng)延時(shí)參數(shù)。數(shù)學(xué)模型要適合印刷機(jī)的機(jī)械慣量，還要滿足印刷機(jī)的制動(dòng)要求：即當(dāng)N值增大時(shí)Tzd則相應(yīng)減小，下面是兩種可選用的數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。
圖3 數(shù)學(xué)模型
從圖3可以看到制動(dòng)參數(shù)Tzd隨N值增大而減小，通過(guò)調(diào)整數(shù)學(xué)模型及其參數(shù)就能找到最佳的Tzd值。
3、執(zhí)行制動(dòng)
有了Tzd值就可以實(shí)施制動(dòng)，在PLC中Tzd作為計(jì)時(shí)器的參數(shù)，當(dāng)計(jì)時(shí)參數(shù)到預(yù)定值后就可以接通制動(dòng)。由于印刷機(jī)的慣性較大，應(yīng)盡早利用變頻調(diào)速器的降頻制動(dòng)功能先把轉(zhuǎn)速降下來(lái)，所以不經(jīng)Tzd延時(shí)直接開(kāi)始降頻制動(dòng)。而電磁制動(dòng)則是經(jīng)Tzd延時(shí)才開(kāi)始的。之所以要用兩種制動(dòng)是因?yàn)樽冾l調(diào)速器的降頻制動(dòng)特點(diǎn)是采用降頻對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。一但選定了降頻斜率則在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，制動(dòng)所需的時(shí)間就會(huì)較長(zhǎng)。這與上述的制動(dòng)要求相反。所以，只能利用變頻調(diào)速器完成制動(dòng)過(guò)程的一部分，即降速的過(guò)程。定位制動(dòng)過(guò)程由PLC控制電磁制動(dòng)器來(lái)完成。通過(guò)采用不同的數(shù)學(xué)模型去控制電磁制動(dòng)開(kāi)始的時(shí)刻，可以很方便地控制動(dòng)量的變化，從而達(dá)到所要求的制動(dòng)精度。
上述制動(dòng)過(guò)程必須由PLC軟件控制，制動(dòng)控制流程圖如圖4所示。
圖4 制動(dòng)控制流程圖
四、設(shè)計(jì)要求和主要配置
設(shè)計(jì)要求為：①印刷速度：600～3 200張/小時(shí)；②電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：284～1515 r/min；③變頻器輸出頻率：10～53 Hz；④定位精度：±3mm。
主要硬件配置為：①三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)2.2 kW一臺(tái)(帶電磁制動(dòng)器)；②西門子MM220型變頻器2.2 kW一臺(tái)；③日本OMRON C60P型可編程序控制器一臺(tái)。
三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)，除了傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦式制動(dòng)外，還有變頻器的降頻制動(dòng)。由于絲網(wǎng)印刷機(jī)的印刷速度隨印刷條件經(jīng)常改變，所以采用變頻調(diào)速器可以滿足絲網(wǎng)印刷機(jī)調(diào)速和特殊制動(dòng)的要求。我們選用西門子MM220型變頻調(diào)速器。用其頻率下降(制動(dòng)曲線)的梯度影響制動(dòng)過(guò)程。制動(dòng)時(shí)間越短，其制動(dòng)效果越明顯。這只粗略地解決了在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)使電機(jī)降速，但對(duì)不同轉(zhuǎn)速如何都停在同一位置的問(wèn)題還要靠確定制動(dòng)參數(shù)Tzd來(lái)解決。
由于制動(dòng)的準(zhǔn)確性取決于諸多因素如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，制動(dòng)電機(jī)摩擦制動(dòng)效果，降頻制動(dòng)曲線的斜率等，所以要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定近期數(shù)學(xué)模型和參數(shù)。這對(duì)PLC編程器來(lái)說(shuō)是不難辦到的。
五、結(jié)束語(yǔ)
目前，絲網(wǎng)印刷機(jī)多采用模擬量(測(cè)速電機(jī))控制。本文介紹的控制系統(tǒng)可以很容易地完善原有的控制。我們用此方法對(duì)舊進(jìn)口絲網(wǎng)印刷機(jī)進(jìn)行了改造，經(jīng)過(guò)3年多的運(yùn)行證明，該控制方式能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，定位精度小于±2mm。由于采用軟件控制的停機(jī)方式，使該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易及不用準(zhǔn)確計(jì)算機(jī)械慣量等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)對(duì)停機(jī)位置有較高要求且經(jīng)常變動(dòng)工作轉(zhuǎn)速的機(jī)械具有推廣價(jià)值。
該控制系統(tǒng)的研制得到天津新特印刷廠工程技術(shù)人員的大力支持，在此深表謝意。